基于EPS主動(dòng)回正的車(chē)輛跑偏研究

吳成偉，朱新華，胡思明，周精浩，曹芹來(lái)

吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315000

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各類(lèi)交通事故中，有約30%為車(chē)輛偏離車(chē)道造成的事故，為提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)跑偏進(jìn)行了各項(xiàng)研究。車(chē)輛跑偏通常是車(chē)輛向控制未按駕駛員意愿沿著交通路線行駛。直線道路上，在駕駛員無(wú)轉(zhuǎn)向意圖的狀態(tài)下，車(chē)輛保持直線行駛則定義為不跑偏。隨著智能輔助功能及其補(bǔ)償功能逐漸集成到車(chē)輛中，有效彌補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)特性難以提高的性能，但各系統(tǒng)中的信號(hào)采集及其偏差校正也成為重要的技術(shù)難題。文中以消除電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electric power steering，EPS)系統(tǒng)回正功能采用的信號(hào)參數(shù)偏差為研究對(duì)象，提高車(chē)輛直線行駛的能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車(chē)輛跑偏進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)車(chē)輛跑偏的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，但未對(duì)跑偏的原因進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[2]基于方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，結(jié)合方向盤(pán)扭矩及轉(zhuǎn)速，對(duì)主動(dòng)回正不足和回正超調(diào)進(jìn)行研究，未涉EPS信號(hào)與車(chē)輛工況偏差的研究；文獻(xiàn)[3]對(duì)EPS傳感器控制策略和方法的計(jì)算進(jìn)行研究，未對(duì)功能邏輯導(dǎo)致跑偏分析及研究；文獻(xiàn)[4]對(duì)麥弗遜式前懸架的轉(zhuǎn)向摩擦對(duì)車(chē)輛定速跑偏的影響進(jìn)行研究，未對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向回正影響研究；文獻(xiàn)[5]從車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的集成動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，采用模糊邏輯控制方法跟蹤基準(zhǔn)偏航率，降低了機(jī)體的滑移角和滾轉(zhuǎn)角，提高了車(chē)輛的乘坐舒適性，未對(duì)橫向控制系統(tǒng)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]從主動(dòng)轉(zhuǎn)向和有效直接偏航力矩分配的集成研究，通過(guò)自適應(yīng)律考慮車(chē)輛質(zhì)量和輪胎路面摩擦因數(shù)等參數(shù)的不確定性。在較低控制水平上，通過(guò)約束優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了后輪偏航力矩的有效分配?？刂泼钣筛郊拥那拜嗈D(zhuǎn)向角度和施加在一個(gè)后輪上的制動(dòng)扭矩執(zhí)行，未對(duì)橫向控制系統(tǒng)偏差進(jìn)行研究。從目前的文獻(xiàn)看，基于EPS的主動(dòng)回正功能及其車(chē)輛跑偏的控制邏輯研究中，多為調(diào)校驗(yàn)證研究、控制方法研究及其具體單個(gè)關(guān)聯(lián)元件的研究，未從消除信號(hào)參數(shù)偏差進(jìn)行研究，分析EPS回正導(dǎo)致車(chē)輛跑偏進(jìn)行研究，因此，對(duì)EPS回正導(dǎo)致車(chē)輛跑偏的研究有重要的意義。

1 EPS介紹

1.1 EPS結(jié)構(gòu)介紹

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是按控制邏輯，根據(jù)駕駛員的意愿進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輕便性、平順性。EPS根據(jù)助力單元的布置位置及其助力的傳動(dòng)方式，可分為轉(zhuǎn)向軸助力形式(column electric power steering,C-EPS)、單齒輪助力形式(single pinion electric power steering,SP-EPS)、雙齒輪助力形式(double pinion electric power steering,DP-EPS)、帶傳動(dòng)單齒條助力形式(belt power steering system,BP-EPS)4種，如圖1所示。

圖1 EPS的4種助力形式

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器(steering angle sensor，SAS)布置，文中以方向盤(pán)傳感器布置在方向盤(pán)下方為研究對(duì)象，安裝在管柱輸入軸上，其轉(zhuǎn)角與方向盤(pán)相對(duì)同步。

1.2 EPS主動(dòng)回正補(bǔ)償介紹

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，通常有跑偏補(bǔ)償控制、主動(dòng)回正補(bǔ)償控制、阻尼補(bǔ)償控制、慣性補(bǔ)償控制、軟止點(diǎn)保護(hù)控制，文中以降低車(chē)輛行駛跑偏的程度為目的，研究EPS主動(dòng)回正補(bǔ)償對(duì)車(chē)輛直線行駛的影響。EPS的主動(dòng)回正輔助功能，是根據(jù)工況提供轉(zhuǎn)向回正補(bǔ)償，控制策略如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向回正控制邏輯示意

圖2中，為駕駛員施加的扭矩；為車(chē)輛行駛速度；為EPS傳感器計(jì)算的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角；為主動(dòng)回正輔助扭矩請(qǐng)求；為經(jīng)過(guò)幅值和梯度限制后的扭矩；為經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤(pán)助力后的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向扭矩；()為回正扭矩幅值和梯度的函數(shù)；()為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)助力函數(shù)。

2 車(chē)輛跑偏研究

2.1 EPS主動(dòng)回正功能影響分析

將車(chē)輛運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為線性二自由度，以汽車(chē)質(zhì)心的加速度在車(chē)輛坐標(biāo)系上的分量，如圖3所示。

圖3 車(chē)輛坐標(biāo)系分析汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)

二自由度汽車(chē)受到外力沿用軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩和為：

∑=1cos+2

(1)

∑=1cos-2

(2)

通過(guò)式(1)及式(2)推理，在不考慮轉(zhuǎn)向以外的橫向力、路面不平整、兩邊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速差的工況下，車(chē)輛在直線行駛的工況，車(chē)輛將保持直線行駛，此工況下，只有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給予橫向的加載力工況，才產(chǎn)生橫向的加速度。

=+

(3)

=

(4)

=+

(5)

=··

(6)

式中:為轉(zhuǎn)向扭矩增益系數(shù);為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總輸出扭矩;為轉(zhuǎn)向回正系數(shù);為車(chē)速;為EPS計(jì)算主動(dòng)回正的轉(zhuǎn)角。

車(chē)輛直線行駛的工況下，駕駛員不需對(duì)方向盤(pán)施加扭矩，即駕駛員施加的扭矩為零，根據(jù)式(3)—(5)，轉(zhuǎn)向力取決于回正輔助扭矩請(qǐng)求，即主動(dòng)回正助力是否激活助力。

某車(chē)型的主動(dòng)回正的控制力曲線如圖4所示，通過(guò)圖4得出，車(chē)行駛即車(chē)道大于0 km/h、小于120 km/h，車(chē)速均在主動(dòng)回正的閾值內(nèi)，結(jié)合式(6)可以推出，車(chē)輛在行駛的工況下，EPS傳感器計(jì)算的轉(zhuǎn)角值起到回正決定性因素。

圖4 EPS回正扭矩曲線

2.2 EPS回正導(dǎo)致跑偏因素

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、EPS計(jì)算的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向器齒條行程的位移如圖5所示，當(dāng)EPS計(jì)算的轉(zhuǎn)角零位與車(chē)輛直線行駛轉(zhuǎn)向器齒條位置零位不重合時(shí)，車(chē)輛直線行駛的工況下，EPS計(jì)算的轉(zhuǎn)角不為零位，根據(jù)式(4)，差值大于閾值時(shí)，EPS將提供回正扭矩，此時(shí)的扭矩將導(dǎo)致車(chē)輛跑偏。

圖5 轉(zhuǎn)角差示意

=+

(7)

式中:為EPS啟動(dòng)時(shí)的判定當(dāng)前角度;為方向盤(pán)轉(zhuǎn)向傳感器啟動(dòng)時(shí)狀態(tài)角度;為方向盤(pán)與EPS傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度差值。

=+

(8)

式中:為車(chē)輛直線行駛工況下，轉(zhuǎn)向器齒條的零位，即直線行駛零位;為EPS中位與車(chē)輛直行零位的偏離值。

=+

(9)

2.2.1 EPS角度中位標(biāo)定偏差

車(chē)輛在裝配完成時(shí)，車(chē)輛下線后，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)，促使車(chē)輛接近直線工況，方向盤(pán)位置對(duì)中、車(chē)輛前束調(diào)至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，再進(jìn)行EPS系統(tǒng)角度零位標(biāo)定，此時(shí)車(chē)輛懸架系統(tǒng)有存在應(yīng)力釋放不完全的因素。

2.2.2 EPS角度零位偏差

EPS集成的轉(zhuǎn)角傳感器，通常是檢測(cè)轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過(guò)下線標(biāo)定的中位，屬于相對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器，零位的讀取配對(duì)在車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)獲取SAS角度，文中以DP-EPS及BP-EPS為研究對(duì)象，因SAS與EPS驅(qū)動(dòng)單元的安裝位置差異，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩個(gè)非等速傳動(dòng)的十字萬(wàn)向節(jié)，如圖6所示，對(duì)于追求駕駛樂(lè)趣的運(yùn)動(dòng)型車(chē)型，雙十字萬(wàn)向節(jié)特意布置出稍微帶不等速的狀態(tài)，以達(dá)到提高車(chē)輛方向盤(pán)中心感的狀態(tài)，這導(dǎo)致車(chē)輛使用過(guò)程中校對(duì)位置存在偏差。

圖6 中間軸布置簡(jiǎn)圖

十字萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)分析如圖7所示。

(10)

圖7 單十字軸萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)分析

假設(shè)軸1的初始位置是其節(jié)叉平面與重合，其十字軸軸銷(xiāo)、在軸線上，十字軸銷(xiāo)中心到十字軸中心的距離是。軸1的節(jié)叉平面繞轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)任意角度，十字軸軸銷(xiāo)中心轉(zhuǎn)到,其在坐標(biāo)為式(11)所示。

(11)

按圖4c，假設(shè)軸2繞轉(zhuǎn)動(dòng)角度，軸2節(jié)叉的十字軸軸銷(xiāo)中心轉(zhuǎn)到，其在坐標(biāo)如式(12)所示。

(12)

利用式(10)把在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成在坐標(biāo)系總的坐標(biāo)，得式(13)。

(13)

式(12)代入式(13)得

(14)

十字軸銷(xiāo)中心與之間的距離如式(15)所示

(15)

將傳動(dòng)架構(gòu)視為剛性連接，設(shè)定保持不變，得式(16)

(16)

將式(11)、(14)代入式(16)得

sin·cos=cos·cos·sin

(17)

通過(guò)解式(17)得

tan=tan·sin

(18)

通過(guò)解式(18)得

(19)

式中：為結(jié)構(gòu)布置角度恒定值;與隨角度變化而變化，雙十字萬(wàn)向節(jié)為兩個(gè)十字萬(wàn)向節(jié)的疊加。由此體現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)不同的角度位置，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器齒輪軸的轉(zhuǎn)角存在一定的差異。因此車(chē)輛使用過(guò)程中，零位校對(duì)存在一定的偏差。

2.2.3 車(chē)輛耐久后應(yīng)力釋放

表1為某車(chē)型路試前后前束的測(cè)試值。由表可知，車(chē)輛使用過(guò)程，前束存在一定的波動(dòng)，轉(zhuǎn)向器與相應(yīng)的車(chē)輛為剛性連接，在前束變化的情況下，車(chē)輛直線行駛對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向器齒條的零位也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。推出式(8)中的EPS中位于車(chē)輛直行零位的偏離值有所變化。

表1 某車(chē)型路試前后前束的測(cè)試值 單位:(′)

2.3 EPS傳感器角度學(xué)習(xí)偏差模擬分析

2.3.1 EPS傳感器角度學(xué)習(xí)偏差模擬分析

以某款車(chē)為例，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置 單位:(°)

根據(jù)設(shè)計(jì)布置數(shù)據(jù)搭建模型：方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，EPS輸入軸及助力單元數(shù)據(jù)仿真模型運(yùn)動(dòng)分析如圖8所示，方向盤(pán)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、上管柱為剛性連接等速傳動(dòng)，上、下十字萬(wàn)向節(jié)通過(guò)CATIA DMU數(shù)據(jù)仿真模型運(yùn)動(dòng)分析。

圖8 數(shù)據(jù)仿真模型運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)CATIA DMU數(shù)據(jù)仿真模型運(yùn)動(dòng)分析，得到方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與EPS傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度差值變化曲線如圖9所示。由圖可知，角度差值隨方向盤(pán)上下調(diào)節(jié)及其旋轉(zhuǎn)角度而改變，如式(7)所示，故EPS啟動(dòng)時(shí)的判定當(dāng)前角度存在一定的偏差。

圖9 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與EPS傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度差值變化曲線

2.3.2 轉(zhuǎn)角跑偏模擬分析

以某車(chē)型為例，通過(guò)Adams對(duì)車(chē)輛橫向進(jìn)行分析，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑的變化曲線如圖10所示，從仿真曲線體現(xiàn)，EPS輸入軸的轉(zhuǎn)角直接影響車(chē)輛的直線行駛。

圖10 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑的變化曲線

2.4 解決策略

文中以DP-EPS及BP-EPS為研究對(duì)象，根據(jù)式(4)，研究車(chē)輛在直線行駛的工況下，確保主動(dòng)回正扭矩請(qǐng)求值為零，是研究主動(dòng)回正功能不導(dǎo)致車(chē)輛跑偏的策略關(guān)鍵。通過(guò)式(8)和式(9)分析，文中推出車(chē)輛直線行駛工況下，EPS的零位偏離值作為補(bǔ)償，修正EPS轉(zhuǎn)向基數(shù)，促使?jié)M足式(8)條件。

車(chē)輛直線行駛工況的判定，文中通過(guò)車(chē)輛左右車(chē)輪輪速差小于調(diào)校的閾值、車(chē)輛的橫擺角度小于調(diào)校的閾值、方向盤(pán)角度傳感器的轉(zhuǎn)角小于設(shè)置的閾值，各參數(shù)滿(mǎn)足車(chē)輛調(diào)校及設(shè)定的閾值側(cè)確認(rèn)車(chē)輛屬于直線行駛工況，EPS角度傳感零位開(kāi)始學(xué)習(xí)，車(chē)輛在直線工況長(zhǎng)度達(dá)標(biāo)定的閾值時(shí)，EPS角度傳感器零位學(xué)習(xí)完成，更新零位偏移值，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)及EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)信號(hào)采集如圖11所示。最大限度地滿(mǎn)足車(chē)輛使用過(guò)程中EPS轉(zhuǎn)角傳感器零位與車(chē)輛直線行駛工況重合。

圖11 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)及EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)信號(hào)采集

3 測(cè)試分析

3.1 EPS零位的偏離測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)

在某車(chē)型，使用CANoe對(duì)車(chē)輛信號(hào)采集，如圖12所示。EPS及方向盤(pán)角度視圖如圖13所示。車(chē)輛信號(hào)采集數(shù)據(jù)及跑偏主觀評(píng)價(jià)分值見(jiàn)表3。

圖12 車(chē)輛信號(hào)采集測(cè)試

圖13 EPS及方向盤(pán)角度視圖

表3 車(chē)輛信號(hào)采集數(shù)據(jù)及主觀評(píng)價(jià)分值

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)得分體現(xiàn)，未導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，在車(chē)輛方向盤(pán)不同的狀態(tài)啟動(dòng)，零位偏離存在差異，并影響車(chē)輛直線行駛，導(dǎo)致輕微的跑偏現(xiàn)象。

3.2 車(chē)輛跑偏試驗(yàn)

以某車(chē)型導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，并對(duì)此車(chē)進(jìn)行跑偏測(cè)試試驗(yàn)，車(chē)輛測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 車(chē)輛測(cè)試參數(shù)

車(chē)輛跑偏測(cè)試示意如圖14所示。

圖14 車(chē)輛跑偏測(cè)試示意

車(chē)輛半載的工況下，跑偏測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，其主觀評(píng)價(jià)達(dá)到7.5分。由表5車(chē)輛跑偏測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)，導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，車(chē)輛直線行駛的狀態(tài)滿(mǎn)足EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)的閾值后，EPS自動(dòng)更新零位偏離值，能消除主動(dòng)回正對(duì)車(chē)輛直線行駛的影響，避免主動(dòng)回正功能導(dǎo)致車(chē)輛跑偏。

表5 跑偏測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析，仿真分析及測(cè)試驗(yàn)證，增加EPS在車(chē)輛直線行駛工況，學(xué)習(xí)EPS零位與車(chē)輛直行角度的偏差，并更新偏差值，能消除車(chē)輛生產(chǎn)標(biāo)定的誤差、車(chē)輛使用過(guò)程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致的角度偏差、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與EPS轉(zhuǎn)角因傳動(dòng)導(dǎo)致的偏差，能解決因EPS主動(dòng)回正功能導(dǎo)致的車(chē)輛跑偏問(wèn)題，此控制策略可以為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者提供一套有效的方法。